王亞騰

摘 要：機(jī)器人技術(shù)早在上世紀(jì)60年代就已經(jīng)出現(xiàn)，但大都被局限于工業(yè)、醫(yī)療和軍事領(lǐng)域。而機(jī)械臂作為機(jī)器人的一類幾乎都被限制在了工業(yè)生產(chǎn)的領(lǐng)域。當(dāng)代的機(jī)器人難以走入人類生活的原因有很多，文章旨在比較幾種視覺(jué)機(jī)械臂技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺陷，并從成本控制、視覺(jué)控制方法、控制單元選擇幾個(gè)方面設(shè)計(jì)出一個(gè)新型的、帶有機(jī)器視覺(jué)的機(jī)械臂，為機(jī)械臂能夠進(jìn)入人們的生活和家庭自動(dòng)化提供了可能性。

關(guān)鍵詞：樹莓派；低成本；視覺(jué)；機(jī)械臂；機(jī)器人

引言

機(jī)械手臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如今已經(jīng)非常成熟，其工業(yè)用途的控制系統(tǒng)例如：焊接，組裝，切割等方面也有著相對(duì)完善的技術(shù)。然而機(jī)械臂控制系統(tǒng)的研發(fā)和生產(chǎn)成本在家用自動(dòng)化中就顯得過(guò)于高昂，加之機(jī)械臂智能的欠缺是現(xiàn)今機(jī)器人技術(shù)難以攻克的課題，這就造成了機(jī)械臂在家庭自動(dòng)化的領(lǐng)域停滯不前。事實(shí)上，帶有視覺(jué)控制系統(tǒng)的機(jī)械臂就可以滿足一般家用需求了，因?yàn)闄C(jī)器視覺(jué)可以作為機(jī)器人的眼睛允許機(jī)器人對(duì)周圍環(huán)境有一個(gè)基本的認(rèn)識(shí)從而獨(dú)立地執(zhí)行一系列簡(jiǎn)單的命令，例如操作家用電器、設(shè)置門禁、傳遞物品等。文章將會(huì)提出一種以樹莓派為控制單元的低成本、基于顏色識(shí)別的視覺(jué)控制機(jī)械臂。

1 三種視覺(jué)控制的機(jī)械臂實(shí)例

機(jī)械臂是一種可編程的、由多個(gè)機(jī)構(gòu)和關(guān)節(jié)組成的手臂。機(jī)械臂中的關(guān)節(jié)一般分為兩種：旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)和移動(dòng)關(guān)節(jié)，而這兩種關(guān)節(jié)不同的組合方式就提供了各式各樣的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)。機(jī)械臂通常被設(shè)計(jì)成與人類手臂類似的結(jié)構(gòu)，可以裝在固定的基座上，也可以被嵌入到其他更加復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)中。以下將會(huì)分析三種不同的視覺(jué)控制機(jī)械臂。

1.1 模糊邏輯控制的3D視覺(jué)機(jī)械臂

Ulrich Hillenbrand[1]是以在不設(shè)限制的環(huán)境中拿起人們的日常用品為目的設(shè)計(jì)出的一個(gè)仿人機(jī)械手臂。這個(gè)機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)非常輕便，整個(gè)機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)是完全以人類手臂為模型設(shè)計(jì)的，有七個(gè)自由度。這個(gè)機(jī)械臂視覺(jué)控制系統(tǒng)的任務(wù)是傳遞并處理一個(gè)機(jī)器可識(shí)別的，包含了幾何以及描述性信息的信號(hào)。換句話，說(shuō)這個(gè)機(jī)械臂通過(guò)控制系統(tǒng)將會(huì)知道目標(biāo)物體的位置和拿起目標(biāo)所需要做的動(dòng)作。控制系統(tǒng)還必須要分析實(shí)時(shí)的立體場(chǎng)景。目標(biāo)物體的識(shí)別是基于模糊邏輯的，它通過(guò)描述一些場(chǎng)景中高對(duì)比度的點(diǎn)得到物體的位置和形狀信息。

Ulrich Hillenbrand的這項(xiàng)研究在識(shí)別和抓取一些特殊形狀的物體時(shí)獲得了成功，然而可識(shí)別物體類別的缺乏讓人們不得不思考覆蓋面更廣的識(shí)別方法。

1.2 眼動(dòng)追蹤控制的視覺(jué)機(jī)械臂

Pedro Lopes[2]曾帶領(lǐng)他的科研小組為了幫助殘疾人群更方便的進(jìn)食研發(fā)出了一種眼動(dòng)追蹤控制的喂食機(jī)械臂。這種眼動(dòng)追蹤控制方法允許使用者在不需要任何外界幫助或者自己按鍵的情況下實(shí)時(shí)地選擇他們想吃的食物。這是一個(gè)非常優(yōu)秀且實(shí)用的發(fā)明，因?yàn)樗沟媚切┎弊右韵露紵o(wú)法行動(dòng)的人們能夠很自如的進(jìn)食。他們利用一個(gè)顯示屏作為人機(jī)交互平臺(tái)放置在使用者面前，使用者只需要移動(dòng)他的眼睛來(lái)控制機(jī)械臂去他面前的幾個(gè)碗中攝取食物并送到嘴邊。這項(xiàng)設(shè)計(jì)是基于一個(gè)M100RAK機(jī)械臂，一個(gè)USB攝像頭和一個(gè)Lynxmotion SSC-32伺服電機(jī)控制器的。由攝像頭捕捉使用者眼部活動(dòng)并傳輸?shù)娇刂破髦羞M(jìn)行處理，再由控制器發(fā)出信號(hào)控制機(jī)械臂中的電機(jī)，最后由伺服電機(jī)的協(xié)同轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)機(jī)械臂攝取使用者選取的食物或者水送達(dá)使用者的嘴邊。

這項(xiàng)研究非常貼近人們的生活，如果不是這套系統(tǒng)的成本高達(dá)810美元，它將會(huì)被廣泛地運(yùn)用在殘疾人群當(dāng)中，高額的成本加之只適合小眾人群的功能限制了這項(xiàng)產(chǎn)品的發(fā)展。

1.3 顏色識(shí)別控制的視覺(jué)機(jī)械臂

Scott Garman[3]設(shè)計(jì)了一個(gè)基于機(jī)器視覺(jué)控制的機(jī)械臂用于抓取和運(yùn)輸物品。Scott Garman聲稱這個(gè)機(jī)械臂所用的材料和處理器都是非常便宜的，整個(gè)機(jī)械臂的成本只需要100美元，所以它是一個(gè)人都買的起的家用機(jī)械臂。這個(gè)機(jī)械臂的控制單元是Minnow Board，它具有非常靈活的開(kāi)發(fā)性并且價(jià)格便宜。而一個(gè)USB攝像頭被安裝在機(jī)械臂的底部旋轉(zhuǎn)軸上用來(lái)掃描目標(biāo)物體，并在圖像處理器中運(yùn)用OpenCV庫(kù)進(jìn)行對(duì)有特殊顏色的目標(biāo)物體識(shí)別。

這項(xiàng)研究顯然解決了普通智能機(jī)械臂成本高昂的問(wèn)題，但其缺點(diǎn)在于基于OpenCV的顏色識(shí)別系統(tǒng)會(huì)隨著環(huán)境光線的亮暗而變得不穩(wěn)定，并且USB攝像頭的安裝方式也限制了目標(biāo)物體的掃描區(qū)域。

2 基于樹莓派的視覺(jué)控制機(jī)械臂

根據(jù)以上三種機(jī)械臂的設(shè)計(jì)的優(yōu)劣分析和思考，一個(gè)實(shí)用、精確、方便控制并且低成本的家用機(jī)械臂設(shè)計(jì)產(chǎn)生了。一個(gè)完整的機(jī)械臂設(shè)計(jì)包含了機(jī)械臂結(jié)構(gòu)、材料、控制單元、傳感器、驅(qū)動(dòng)方式、控制方法這幾個(gè)部分。下面將會(huì)逐一簡(jiǎn)述這些設(shè)計(jì)部分。

本設(shè)計(jì)選用方便切割的聚合木板作為機(jī)械臂的材料，機(jī)械臂結(jié)構(gòu)方面選用7個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成一個(gè)7自由度的機(jī)械臂，因?yàn)?自由度的機(jī)械臂與人類的手臂相似，有一個(gè)冗余自由度可以使得機(jī)械臂在執(zhí)行任務(wù)時(shí)能夠規(guī)避障礙物。機(jī)械臂末端安裝一個(gè)1自由度鉗狀機(jī)械手用于拿起物體。考慮到機(jī)械臂的控制需要建立坐標(biāo)系，在此選用Craig法建立坐標(biāo)系。

8個(gè)伺服電機(jī)充當(dāng)機(jī)械臂及機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，通過(guò)向伺服電機(jī)輸入PWM型控制信號(hào)，伺服電機(jī)能夠通過(guò)讀取信號(hào)的占空比信息精確地到達(dá)被要求到達(dá)的位置。

樹莓派B型被選為本設(shè)計(jì)的控制單元，它是一個(gè)輕便但是非常實(shí)用的微機(jī)單元，它包含了CPU，GPU，DSP，SDRAM，USB接口還有GPIO口等。樹莓派上的26個(gè)GPIO口中有8個(gè)可以被重新設(shè)置為PWM型信號(hào)的輸出源[4]，也就是說(shuō)樹莓派可以通過(guò)一次性輸出8個(gè)獨(dú)立的PWM型信號(hào)控制8個(gè)伺服電機(jī)的位置。

傳感器使用激光攝像頭，它將被安裝在機(jī)械臂第二個(gè)關(guān)節(jié)上方，這樣一來(lái)它可以隨著第一個(gè)和第二個(gè)關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)最大范圍的目標(biāo)物體掃描。之所以選擇激光攝像頭是因?yàn)樵诳刂浦行枰粋€(gè)三維空間中目標(biāo)物體的位置信息。

控制系統(tǒng)基于HSV色彩圓柱原理[5]，利用OpenCV庫(kù)進(jìn)行C++語(yǔ)言的匯編達(dá)到能夠識(shí)別特殊顏色的效果，從而達(dá)到尋找目標(biāo)物體的目的。攝像頭會(huì)隨著機(jī)械臂前兩個(gè)關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)掃描有效區(qū)域，將視頻信息放入樹莓派中的GPU中進(jìn)行處理。一旦機(jī)械臂尋找到了目標(biāo)物體，會(huì)將激光攝像頭所搜集到的目標(biāo)位置信息輸入到CPU中，然后CPU會(huì)根據(jù)已建立的坐標(biāo)系和運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解的算法規(guī)劃出機(jī)械臂行進(jìn)路線。

在這個(gè)基礎(chǔ)上，將觸發(fā)機(jī)械臂尋找并操作目標(biāo)物體的方式選為聲控方式，同時(shí)在需要機(jī)械臂操作的家用電器按鈕以及日常用品的表面做上特殊顏色的標(biāo)記，人們便可以通過(guò)說(shuō)“紅色 按下”、“綠色 拾取”等語(yǔ)句操控機(jī)械臂。

3 結(jié)束語(yǔ)

文章提出的設(shè)計(jì)基本能夠滿足家庭自動(dòng)化的需求并且成本低廉，但是隨著人們對(duì)于機(jī)械臂智能和精度上要求的不斷增加，機(jī)械臂觸覺(jué)系統(tǒng)的嵌入、機(jī)械臂學(xué)習(xí)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、機(jī)械臂和移動(dòng)機(jī)器人的整合、機(jī)器人交互系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)、機(jī)器人材料的改進(jìn)和更精確的機(jī)械臂軌跡規(guī)劃算法仍然需要進(jìn)行大量的研究?？梢栽O(shè)想隨著家用機(jī)器人技術(shù)慢慢的趨于成熟，人們將再也不會(huì)因?yàn)榧抑蟹彪s的家務(wù)而苦惱了為家庭自動(dòng)化提供了可能性。

參考文獻(xiàn)

[1]Ulrich Hillenbrand，"The Robutler： a Vision-Controlled Hand-Arm System for Manipulating Bottles and Glasses"，2004.

[2]Pedro Lopes，"Eye-Controlled Robotic Feeding Arm Technology"， 2012

[3]Scott Garman，"Computer Vision Controlled Robots， Powered by the Yocto Project"，Intel Open Source Technology Center.

[4]Wikipedia，"Raspberry Pi， Specification"，22 June 2014. Available from http：//en.wikipedia.org/wiki/Raspberry_Pi.

[5]Wikipedia，"HSL and HSV"，12 August 2014，Available from http：//en.wikipedia.org/wiki/HSL_and_HSV.